Profª Eleonora Slide de aula. Fotossíntese: As Reações da Etapa Escura ou Química

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1 Fotossíntese: As Reações da Etapa Escura ou Química

2 Síntese fotossintética de carboidratos AS REAÇÕES DE ESCURO Organismos fotossintetizantes podem sintetizar carboidratos a partir de CO 2 e H 2 O A energia fornecida por ATP e NADPH (formados pelo transporte fotossintético de elétrons) é utilizada para reduzir o CO 2 Os vegetais superiores contêm em seus cloroplastos o único mecanismo enzimático que catalisa a conversão de CO 2 em composto orgânico (reduzido) através de processo denominado assimilação de CO 2 ou fixação de carbono A rota metabólica pela qual as plantas incorporam CO 2 em carboidratos foi elucidada pela identificação do destino metabólico da radioatividade de 14 CO 2 em culturas de células de algas. A rota completa é conhecida como Ciclo de Calvin ou Ciclo Redutivo das Pentoses-fosfato. O ciclo envolve a carboxilação de uma pentose; a formação de carboidratos como produto e a regeneração de Ribulose 1,5- difosfato.

3 Ciclo de Calvin ou Ciclo da Redução Fotossintética do Carbono A assimilação do CO 2 ocorre em três estágios: 1º estágio: Fixação de carbono. Condensação de CO 2 com um aceptor de 5 átomos de carbono, Ribulose 1,5-difosfato (RuBP), para a formação de duas moléculas de 3-fosfoglicerato. 2º estágio: Produção de açúcar. Redução das moléculas de 3- fosfoglicerato em moléculas de triose fosfato 3º estágio: Regeneração de RuBP. Dez das doze moléculas de triose fosfato (total de 30 átomos de carbono) são utilizadas para regenerar seis moléculas de Ribulose 1,5-difosfato (total de 30 átomos de carbono) O processo global é cíclico, com a conversão contínua de CO 2 em triose e hexose fosfato.

4 1º estágio: Fixação de carbono A enzima responsável pela reação de fixação de carbono é a Rubisco. A enzima é também denominada de Ribulose 1,5-bisfosfato-carboxilase (RuBP-carboxilase) ou Ribulose 1,5-bisfosfato-carboxilase-oxigenase (RuBP-carboxilase-oxigenase).

5 2º estágio: Produção de açúcar O G3P é usado em diferentes rotas biossintéticas, tanto dentro como fora do cloroplasto. Pode ser convertido em F6P e, então, em G1P (glicose-1p) pela ação da fosfoglico-isomerase e pela fosfoglicomutase. A G1P é o precursor de carboidratos complexos característicos das plantas. Estes incluem a sacarose (principal açúcar de transporte para fornecimento de carboidratos para células não fotossintetizantes); o amido (principal polissacarídeo de reserva); e a celulose (principal componente estrutural de paredes celulares).

6 3º estágio: Regeneração de Ribulose 1,5-difosfato (RuBP)

7 Ciclo de Calvin-Benson ❶-❸ A fixação inicial e redução de carbono ocorre gerando compostos de 3-carbonos; o gliceraldeído-3-p e a diidroxiacetona-p. ❹ Que são inter-convertidos. A - D Em média, 2 de cada 12 moléculas de 3-carbonos são usadas na síntese de glicose. ❺ 10 das 12 moléculas de 3-carbonos são usadas para formar ribulose-5-p, por uma série de reações. ❻ A ribulose-5-p é então fosforilada com gasto de ATP, formando ribulose-1,5-di-p, a molécula aceptora com a qual seqüência teve início.

8 Interconversão de oses Fase de regeneração de RuBP, na qual os átomos de carbono das cinco moléculas remanescentes de gliceraldeído-3p são canalizados, em uma série de reações similares às da rota das pentoses-fosfato, para formar novamente as três ribulose-5p com as quais o ciclo começou. Este estágio pode ser conceitualmente decomposto em quatro grupo de reações : C 3 + C 3 C 6 C 3 + C 6 C 4 + C 5 C 3 + C 4 C 7 C 3 + C 7 C 5 + C 5 A estequiometria do estágio é: 5 C 3 3 C 5 Este estágio do ciclo de Calvin ocorre sem participação adicional de energia livre (ATP) ou poder redutor (NADPH)

9 Ciclo de Calvin-Benson (Ciclo Redutivo das Pentosesfosfato) Enzimas 1) Fosforibulose quinase 2) Ribulose-bisfosfato carboxilase 3) Fosfoglicerato quinase 4) Gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase 5) Triosefosfato isomerase 6) Aldolase 7) Frutose bisfosfatase 8) Transcetolase 9) Aldolase 10) Sedoheptulose bisfosfatase 11) Transcetolase 12) Fosfopentose epimerase 13) Ribosefosfato isomerase ATP ADP CO 2 ATP ADP NADPH NADP + + Pi 1 Ribulose-5- fosfato (Ru5P) 13 Ribose-5- fosfato (R5P) Ribulose-1,5- bisfosfato (RuBP) (3 moléculas) Ribulose-5- fosfato (Ru5P) 12 2 Xilulose-5- fosfato (Xu5P) 3-Fosfoglicerato (3PG) (6 moléculas) 5 1,3-bisfosfoglicerato (BFG) (6 moléculas) Diidroxiacetonafosfato (DHAP) 6 Frutose-1,6- bisfosfato (FBP) 7 Frutose-6- fosfato (F6P) 3 4 Pi Gliceraldeído -3-fosfato (GAP) (6 moléculas) Produtos Eritrose-4- fosfato (E4P) 9 Sedoheptulose- 1,7-bisfosfato (SBP) 10 Pi Enzimas sem correspondentes em células animais 8 Sedoheptulose-7- fosfato (S7P) 11

10 Ciclo de Calvin-Benson Resumo dos eventos que ocorrem na assimilação de CO 2 para a produção de uma molécula de glicose

11 Fotorrespiração Profª Eleonora Slide de aula Oxigênio (O 2 ) compete com o CO 2 como substrato da RuBP-carboxilase, também chamada de RuBP-carboxilase-oxigenase ou rubisco. Em níveis baixos de CO 2 e altos de O 2, o processo de fotorrespiração pode superar a fixação fotossintética de CO 2. Na reação de oxigenase, o O 2 reage com a ribulose-bifosfato (RuBP) para formar 3-fosfoglicerato (3PG) e 2-fosfoglicolato. Embora a fotorrespiração não tenha função metabólica conhecida, todas as RuBPcarboxilases de organismos fotossintéticos, até o momento testados, exibem atividade oxigenase. Ao longo das eras, as forças da evolução devem ter otimizado a função dessa importante enzima. A fotorrespiração pode conferir uma vantagem seletiva, protegendo o aparelho fotossintético contra dano fotooxidativo quando não há suficiente CO 2 disponível para dissipar a energia luminosa absorvida.

12 O 2-fosfoglicolato formado pela reação de oxigenase é hidrolisado a glicolato pela glicolato-fosfatase e, a seguir, o glicolato é exportado do cloroplasto para o peroxissomo onde é oxidado pela glicolato-oxidase a glioxilato e peróxido de hidrogênio. O H 2 O 2, um agente oxidante potencialmente danoso, é convertido a H 2 O e O 2 pela enzima catalase. O glioxilato pode ser convertido a glicina por uma reação de transaminação e exportado para a mitocôndria. Ali, duas moléculas de glicina são convertidas em uma molécula de serina e uma de CO 2. Essa é a origem do CO 2 gerado pela fotorrespiração. A serina é transportada de volta para o peroxissomo, onde uma reação de transaminação a converte em hidroxipiruvato. Essa substância é reduzida a glicerato e fosforilada no citosol a 3PG, o qual entra novamente no cloroplasto e é reconvertido a RuBP no ciclo de Calvin. O resultado líquido desse complexo ciclo de fotorrespiração é que parte do ATP e do NADPH gerados pelas reações de luz é dissipada inutilmente.

13 Metabolismo C 4 Certas espécies de plantas, como a cana-de-açúcar, o milho e a maioria das ervas daninhas, têm um ciclo metabólico que concentra CO 2 em suas células fotossintéticas, evitando quase completamente a fotorrespiração. O CO 2 é concentrado em células do mesófilo e transportado a células da bainha vascular para entrada no ciclo de Calvin. As folhas das plantas que apresentam o ciclo C 4 têm uma anatomia característica. Suas veias são concentricamente envoltas por uma só camada de células denominadas células da bainha vascular, as quais por sua vez, são envoltas por uma camada de células do mesófilo. Célula do mesófilo Célula da bainha vascular

14 O ciclo inicia quando as células do mesófilo, que não possuem RuBP-carboxilase, absorvem o CO 2 atmosférico, condensando-o com o fosfoenolpiruvato (PEP) para formar oxaloacetato. O oxaloacetato é reduzido por NADPH a malato, o qual é exportado para as células da bainha vascular. Nessas células, o malato é descarboxilado oxidativamente por NADP + para formar CO 2, piruvato e NADPH. O CO 2 concentrado por esse processo entra no ciclo de Calvin. O piruvato retorna às células do mesófilo, onde é fosforilado para regenerar PEP. Plantas C 4 devido a esse ciclo de ácidos de quatro carbonos. Célula do mesófilo Célula da bainha vascular As plantas C 4 ocorrem principalmente em regiões tropicais porque crescem mais rapidamente sob condições quentes e ensolaradas do que outras plantas denominadas C 3 Piruvato-fosfato Enzima málica NADP + NADPH quinase Plantas C 3 por fixarem CO 2 inicialmente na forma de ácidos de três carbonos.

15 Anatomia das folhas de plantas que apresentam o ciclo C 3 e o ciclo C 4